光学相位三维轮廓测量的新方法.doc

2002年10月 2002年昆明理工大学研究生“挑战杯”课外科技作品竞赛参赛作品 3光学相位三维轮廓测量的新方法材料与冶金工程学院：马淑贞指导教师：钟丽云本创作涉及光学相位测量轮廓术中的核心技术移相技术和干涉条纹问题，属光电检测及光信息处理领域. 在光学投影式三维轮廓测量中，相位测量轮廓术（Phase Measuring Profilometry，简称PMP）要求投影结构光的光栅必须是正弦光栅，但实际上要制作一正弦型光栅是非常困难的事，一般情况下只能得到准正弦光栅. 因此许多人采用相干结构光照明的方法，将两束相干光波干涉形成清晰且对比度高的正弦干涉条纹的确条纹直接投影到被测物体表面上，通过解调被物体调制的条纹，但在实际的测量中由于受到防震平台和外部环境的影响，使产生的干涉条纹发生飘移和抖动，这样对采用点对点计算的PMP技术来说，给被测物体带来了很大的测量误差，故其应用受到一定的限制. 在PMP方法中，相移方法一般是通过在参考光中导入增加的相位，来改变干涉条纹的相位差以达到移相的目的，但该方法的一个致命的缺点是无法抑制因条纹抖动对测量误差的影响，另外，如果采用四步相移技术，每次改变参考光的光程/4，这样需要高精度的相移器（其精度至少为0.01 微米）. 因此，本创作针对目前光学投影式的相位测量轮廓术所存在的问题，提出了一种克服条纹的抖动并且实现移相的新方法. 该方法通过在投影光路中加入条纹稳定计来锁定投影干涉正弦条纹，采用精度为0.1微米的微位移平台，沿同一方向（如X方向）依次移动物光波d/4，d/2，3d/4，d（d为投影直条纹间距）来实现相移，若条纹间距d为0.5毫米，对精度为0.1微米的微位移平台完全达到要求. 这样可完全消除条纹抖动对移相误差的影响，从而达到点对点的PMP测量. 下面将结合附图对本创作做进一步详述（实施例）：(1) 获取含有物体高度信息的变形条纹图（参见附图1）按附图1所示的光路图布置好光路，把得到的正弦干涉结构光均匀照明到物体上，通过微位移器来移动物体（微位移器的精度为0.1微米），用CCD摄像机采集条纹图，经图象采集卡存到计算机中. 如图2为含有物体高度信息的变形条纹相移图. (2) 重构物体的三维相位信息读图像采用五步相移法求得包裹的相位信息求得解包后的物体相位信息利用数值计算软件matlab编程，采用相位测量轮廓术的方法重构物体的相位信息. 图3为对鼻子的石膏雕像进行测量，采用了Hariharan五步相移法，投影条纹的间距d为0.601099mm,依次沿X方向移动物体d/4，d/2，3d/4，d，即分别为0.15027mm，0.30045mm，0.45081mm，0.60110mm. 图3分别为物体的相位及解包裹后的物体灰度图和三维网格图. 本创作与现有技术相比，具有如下优点：(1) 可以完全抑制了因条纹抖动对测量误差的影响，对工业现场三维物体的测量具有极重要应用价值. 程序流程图(2) 移相问题采用移物光波技术，解决了传统采用移参考光波需要高精度的相移器的难题. (3) 该装置简单、价格低廉，且不受环境、温度、电压等限制. 被测物体反射镜条纹稳定计的探测器扩束镜准直镜扩束镜条纹稳定计反射镜激光器分束镜准直镜图1 系统的原理图图2b为物光波移动0.15027mm的变形条纹图图2a为含有物体高度信息的变形条纹相移原图图2d为物光波移动0.45081mm的变形条纹图图2d为物光波移动0.45081mm的变形条纹图图2a为含有物体高度信息的变形条纹相移原图图2c为物光波移动0.30045mm的变形条纹图图2e为物光波移动0.60